Separation of Biomass Components by Membrane Filtration - Process Development for Hemicellulose Recovery

Abstract

One of the major challenges facing the world today is the reduction of our dependency on fossil resources as their exploitation has severe negative effects on the environment. One way of realizing this is to utilise the components of lignocellulosic biomass to a greater extent as feedstock for various industrial products. However, such utilisation requires the extraction of the biopolymers from their native structure, followed by efficient isolation from the complex extraction solution. The aim of this work was to develop processes that can be used on a large scale for the separation and recovery of biomass components from various kinds of industrial process streams.



In the first part of this work, a membrane-based separation process was developed that allows the fractionation of biomass components in two different process waters originating from mechanical pulp production. Filtration and membrane filtration were optimised in order to obtain concentrated fractions of wood fibre residues, suspended/colloidal matter, hemicelluloses and lignin. The most valuable fraction obtained from this process was the ultrafiltration retentate, containing up to 64 g/l of hemicelluloses at a purity of about 60%. Furthermore, the process generated a purified water stream that could be reused in the pulp mill. Using enzymatic treatment, it was possible to cross-link hemicelluloses in pulp mill process water, thereby increasing their molecular mass. Subsequent ultrafiltration was shown to partly separate hemicelluloses with high molecular mass from those with low molecular mass. This approach could be of interest in cases where large hemicelluloses with a narrow size distribution are needed for the manufacture of bio-based products.



The major objective in the second part of the work was to recover hemicelluloses from a high-viscosity solution obtained after alkali extraction from wheat bran. Hemicelluloses were separated from the extraction chemical (sodium hydroxide) using a ceramic ultrafiltration membrane with a cut-off of 10 kDa. Only a moderate flux was achieved (up to 75 l/m2h) by optimising the operating conditions. However, flux could be increased substantially (to 225 l/m2h) by the introduction of dead-end filtration prior to ultrafiltration. It was also shown that the extraction chemical could be recovered from the ultrafiltration permeate by nanofiltration. An extremely high flux and good removal of organic impurities (lignin, sugars) were achieved with the polymeric nanofiltration membranes NP010 and MPF-36. Preliminary cost estimates revealed that the investment in a nanofiltration plant would be paid back after only 1150 h of operation.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De flesta produkter som vi dagligen använder tillverkas genom att utnyttja fossila råvaror som olja, kol och naturgas. Ett stort problem är att dessa råvaror bara finns i begränsade mängder i naturen, vilket medför att de förr eller senare tar slut. Dessutom medför förbränning av fossila råvaror att det bildas miljöskadande gaser (t.ex. koldioxid) som ansamlas i atmosfären och bidrar till den globala uppvärmningen. För att begränsa miljöbelastningen är det därför viktigt att vi minskar användningen av fossila råvaror i framtiden genom att istället använda förnyelsebara material som biomassa i större utsträckning.



Biomassa (t.ex. skogs- och jordbruksprodukter) innefattar allt organiskt material som bildas i naturen och består huvudsakligen av tre komponenter: cellulosa, hemicellulosa och lignin. Under de senaste åren har man gjort stora framsteg för att ta fram tekniker för tillverkning av värdefulla produkter ur biomassas olika komponenter. Till exempel är det idag möjligt att tillverka bioetanol från cellulosa, vilket är ett miljövänligt bränsle för våra bilar. Hemicellulosa kan användas som utgångsmaterial till barriärfilmer som kan ersätta plast och aluminium i livsmedelsförpackningar. Även för lignin har forskare hittat mycket intressanta tillämpningar. Lignin har visat sig att vara ett utmärkt fast biobränsle och kan också användas för att tillverka kompositmaterial och kemikalier.



Även om det finns flera alternativa möjligheter att använda biomassa, så är detta tyvärr inte alldeles enkelt. Cellulosa, hemicellulosa och lignin är i biomassa bundna till varandra och bildar där ett stabilt nätverk. Man måste därför behandla biomassan på något sätt för att bryta upp nätverket och göra komponenterna tillgängliga. I många industriella processer uppnås detta genom att behandla biomassan vid hög temperatur och högt tryck, eller genom att använda starka kemikalier. Då bildas vätskor som å ena sidan innehåller relativt stora mängder värdefulla biopolymerer, men å andra sidan också en hel del oönskade föroreningar. Förutsättningen för att kunna använda de tillgängliga biopolymererna till nya produkter är att man kan rena upp dem genom att skilja dem från varandra och från föroreningarna. Men än så länge saknas det bra processer för detta ändamål. Målsättningen med mitt projekt var därför att utveckla lämpliga separationsmetoder som gör det möjligt att utvinna biomassas komponenter från industriella vätskor på ett kostnads- och energieffektivt sätt.



Jag har i mitt arbete huvudsakligen använt en separationsteknik som kallas för membranfiltrering. I denna teknik använder man ett tätt filter i vilket det finns hål (porer) som är så små att de inte ens kan ses med blotta ögat. Genom att man väljer membran med lagom stora hål, kan man samla de olika biopolymererna i separata fraktioner och dessutom plocka bort föroreningarna. Men att skilja många substanser i en vätska från varandra är komplicerat. Det kan behövas flera på varandra följande steg, med olika membran i de olika stegen. Dessutom är det mycket viktigt att man väljer rätt driftsbetingelser när man använder sig av membranfiltrering. Till exempel är membranets prestanda beroende av vätskans temperatur, tryckskillnaden mellan membranets båda sidor (transmembrantryck) och vätskans hastighet vid membranytan (tvärströmshastighet). För att försvåra det ytterligare kan man inte använda samma parametrar för alla vätskor, utan de måste anpassas specifikt för varje enskild tillämpning.



Jag har i mitt doktorandarbete i detalj studerat vilka steg som behövs och vid vilka driftsbetingelser det går bäst att utvinna biopolymererna (framför allt hemicellulosa) från olika industriella vätskor. Tre olika företag har försett mig med processvätskor och i avhandlingen diskuterar jag upparbetningsstrategier för dessa vätskor baserade på membranfiltrering. Från min synpunkt var det viktigast att få ett så högt utbyte som möjligt av de värdefulla biopolymererna, att göra processen kostnads- och energieffektiv samt att processen kan tillämpas i industriell fullskala.

• author: Krawczyk, Holger
• supervisor: Ann-Sofi Jönsson; Ola Wallberg
• opponent: Professor Mänttäri, Mika, Lappeenranta University of Technology
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: Biomass, hemicelluloses, pulp mill process water, alkaline extract, membrane filtration
• pages: 162 pages
• defense location: Lecture hall K:B, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Faculty of Engineering, Lund University
• defense date: 2013-09-20 13:15:00
• ISBN: 978-91-7422-329-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 418f6533-9566-42fc-9d14-b05128bae3d3 (old id 3990680)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:09:00
• date last changed: 2018-11-21 21:02:58